Nei materiali quantistici a base di metalli di transizione, elementi di terre rare e attinidi, gli stati elettronici sono caratterizzati da elettroni negli orbitali d e f, combinato con la forte formazione di bande del solido. Fino ad ora, stimare gli orbitali specifici che contribuiscono allo stato fondamentale di questi materiali e determinarne le proprietà fisiche, i ricercatori si sono principalmente affidati a calcoli teorici e metodi di spettroscopia.

In un recente studio pubblicato su Fisica della natura , un team di ricercatori del Max Planck Institute di Dresda, Università di Heidelberg, Università di Colonia, e DESY- Hamburg hanno tentato di visualizzare gli orbitali attivi di un materiale direttamente nello spazio reale, senza alcun modello. La tecnica di imaging che hanno ideato si basa sul livello s-core e sulla diffusione di raggi X anelastica non risonante.

"Siamo interessati a come i materiali ottengono le loro proprietà, "Hao Tjeng, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Vogliamo sapere come questi possono essere spiegati sulla base del comportamento degli elettroni nei materiali. Siamo principalmente interessati al metallo di transizione (3d, 4d, 5d) e materiali a base di terre rare (4f), poiché offrono una ricchezza di proprietà affascinanti e sintonizzabili, importante per la scienza fondamentale e per numerose altre applicazioni."

Quando hanno iniziato a lavorare al loro studio, Tjeng e i suoi colleghi sapevano che le equazioni della meccanica quantistica che avrebbero dovuto risolvere erano irrisolvibili, poiché i relativi calcoli richiederebbero un tempo infinito. Si resero così conto che sarebbe stato molto più pratico e utile visualizzare gli orbitali in esperimenti pratici.

"Generalmente, al fine di determinare quale tipo di stati della meccanica quantistica si realizzano in un materiale, si effettuano misure spettroscopiche, " Tjeng ha spiegato. "Questi hanno i loro meriti, ma anche i loro limiti:bisogna ancora fare calcoli per estrarre le informazioni, e molto spesso i risultati non sono accurati o affidabili. Stavamo quindi cercando un nuovo metodo in grado di fornire un'immagine diretta dello stato della meccanica quantistica direttamente per l'esperimento. Maurits Haverkort e io ci siamo resi conto che la diffusione anelastica dei raggi X poteva fornire una tale opportunità".

Usando raggi X e grandi trasferimenti di quantità di moto, i ricercatori sono stati in grado di osservare le transizioni atomiche nel campione che altrimenti sarebbero state vietate negli esperimenti standard, come la spettroscopia a raggi X o ad assorbimento ottico. Haverkort e Tjeng si resero conto che effettuando una transizione da uno stato atomico sferico (ad esempio 3s) potevano raggiungere la forma di un orbitale 3d rispetto al trasferimento di quantità di moto del fotone.

"Inizialmente, tutto questo era teoria, "Tjeng ha detto. "Abbiamo quindi deciso di fare l'esperimento, investire e aggiornare uno strumento esistente presso l'impianto di sincrotrone PETRA-III, per avere un segnale sufficiente, considerando che questo è un esperimento molto affamato di fotoni. Dopo alcuni sforzi, siamo stati infatti in grado di osservare il segnale e i risultati che avevamo previsto."

Nel loro esperimento, Tjeng e i suoi colleghi hanno usato la radiazione di sincrotrone come linea di luce "ondulante", per fornire radiografie monocromatiche ad alta intensità. Hanno diretto il raggio di raggi X su un campione, in particolare un singolo cristallo; poi hanno rilevato e analizzato i raggi X sparsi.

"Osservando l'intensità di un particolare processo atomico (nel nostro caso "l'eccitazione da 3 a 3 giorni") in funzione dell'orientamento del campione rispetto al momento fotonico trasferito e visualizzando queste intensità su un complotto, abbiamo ottenuto un'immagine diretta dell'orbitale 3d., " ha detto Tjeng.

Nel loro studio, Tjeng e i suoi colleghi sono stati in grado di dimostrare l'efficacia, sia in termini di potenza che di precisione, della tecnica di imaging da loro proposta. Hanno applicato con successo il loro metodo su un esempio da manuale, la x ² sì ² /3z ² -R ² orbitale del Ni ²⁺ ione in un singolo cristallo di NiO.

"Essendo in grado di visualizzare direttamente gli orbitali che sono attivi in ​​un materiale, avremo una visione migliore e più precisa del comportamento degli elettroni responsabili delle proprietà del materiale, " ha detto Tjeng. Ciò è particolarmente importante per la progettazione di nuovi materiali con proprietà nuove o ottimizzate, che è altamente desiderato dalle comunità di ricerca sia in fisica che in chimica."

Tjeng e i suoi colleghi hanno presentato un'alternativa tangibile ed efficiente agli attuali metodi per studiare gli orbitali nei materiali quantistici, che potrebbe in definitiva migliorare la ricerca sia in fisica che in chimica. Nel loro lavoro futuro, hanno intenzione di usare la loro tecnica per studiare altri materiali complessi. Inoltre, vorrebbero migliorare gli apparecchi e gli strumenti impiegati con il loro metodo, in modo che possa diventare una fonte standard di misurazione, come la misurazione della diffrazione di neutroni o raggi X su cristallo singolo.

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